Магнитные материалы их свойства и применение

Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля.

Магнитные свойства материалов характеризуются петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании.

При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля от 0 до +Н, от + Н до - Н и снова от - Н до + Н кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой - петли гистерезиса.

Рис. 6.1. Петли гистерезиса при различных значениях напряженности внешнего магнитного поля

Площадь гистерезисных петель в промежуточных и предельном состояниях характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания.

Кривая намагничивания

Это важнейшая характеристика магнитных материалов, она показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего поля Н. Магнитная индукция материала B_i измеряется в теслах (Тл) и связана с намагниченностью М формулой

где - магнитная постоянная, равная 4 10^-7Гн/м; М -намагниченность.

Магнитная проницаемость.

Для характеристики поведения магнитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются понятиями абсолютной магнитной проницаемости и относительной магнитной проницаемости :

где - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; - магнитная постоянная.

Потери энергии при перемагничивании.

Это необратимые потери электрической энергии, которая выделяется в материале в виде тепла.

Потери на перемагничивание магнитного материала складывается из потерь на гистерезис и динамических потерь.

Потери на гистерезис создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия.

Некоторые области применения полимерных магнитов:

Акустические системы, реле и бесконтактные датчики

Электромашины, магнитные сепараторы, холодильники

Магнитные элементы кодовых замков и охранной сигнализации

Тахогенераторы, датчики положения, электроизмерительные приборы

Медицина (магнитотерапия, магнитные матрасы)

Магнитомягкие материалы

магнитно-мягкие материалы — материалы, обладающие свойствами ферромагнетика или ферримагнетика, причём их коэрцитивная сила по индукции составляет не более 4 кА/м. Такие материалы также обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис.

К магнитомягким материалам относят:

1. Технически чистое железо (электротехническая низкоуглеродистая сталь).

2. Электротехнические кремнистые стали.

3. Железоникелевые и железокобальтовые сплавы.

4. Магнитомягкие ферриты.

Магнитные свойства низкоуглеродистой стали (технически чистого железа) зависят от содержания примесей, искажения кристаллической решетки из-за деформации, величины зерна и термической обработки. По причине низкого удельного сопротивления технически чистое железо в электротехнике используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Электротехническая кремнистая сталь является основным магнитным материалом массового потребления. Это сплав железа с кремнием. Легирование кремнием позволяет уменьшить коэрцитивную силу и увеличить удельное сопротивление, то есть снизить потери на вихревые токи.

Листовая электротехническая сталь, поставляемая в отдельных листах или рулонах, и ленточная сталь, поставляемая только в рулонах - являются полуфабрикатами, предназначенными для изготовления магнитопроводов (сердечников).

Магнитопроводы формируют либо из отдельных пластин, получаемых штамповкой или резкой, либо навивкой из лент.

Железоникелевые сплавы называют пермаллоями. Они обладают большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых магнитных полей. Пермаллои применяют для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и реле.

Ферриты представляют собой магнитную керамику с большим удельным сопротивлением, во много раз превышающим сопротивление железа. Ферриты применяют в высокочастотных цепях, так как их магнитная проницаемость практически не снижается с увеличением частоты.

Недостатком ферритов является их низкая индукция насыщения и низкая механическая прочность. Поэтому ферриты применяют, как правило, в низковольтной электронике.

74. Магнитотвёрдые материалы

Магнитотвёрдые материалы – материалы, характеризующиеся большой коэрцитивной силой и остаточной индукцией. Используются для изготовления постоянных магнитов различного назначения.

К ним относятся: углеродистые, вольфрамовые, хромистые, кобальтовые стали, коэрцитивная сила которых равна 5000...13000 А/м, а остаточная индукция – 0,7...1,0 Т.

Обладают ковкостью, поддаются прокатке и механической обработке.

Магнитотвердыми материалами являются также сплавы с различным содержанием железа, алюминия, никеля, кремния, кобальта.

Они называются альни, альниси, альнико, магнико и др.

Обладают прекрасными магнитными свойствами. Их коэрцитивная сила равна 20000...60000 А/м, а остаточная индукция – 0,2...2,25 Т.

Магниты из этих сплавов изготавливаются отливкой и обрабатываются только шлифованием.

Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитных материалах кроме выбора химического состава используют технологии, оптимизирующие кристаллическую структуру и затрудняющие процесс перемагничивания. Это закалка сталей на мартенсит, дисперсионное твердение сплавов, создание высоких внутренних механических напряжений и др. В результате затрудняются процессы смещения доменных границ. У высококоэрцитивных сплавов магнитная текстура создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле.

Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов. Они являются источниками постоянных магнитных полей, используемых в различной аппаратуре в электро- и радиотехнике, автоматике, приборостроении, электронике, в устройствах электромагнитной записи, фокусирующих устройствах для телевизоров, микрофонах, электроизмерительных приборах, микроэлектронике, СВЧ-приборах и т.д. Их используют в электрических машинах малой мощности, для записи и хранения цифровой, звуковой и видеоинформации и др. Преимущества постоянных магнитов по сравнению с электромагнитами постоянного тока - повышенная работоспособность; экономия материалов и потребления энергии; экономическая и техническая выгода применения.